北京地區(qū)PBA法施工暗挖地鐵車站地表變形分析

羅富榮， 汪玉華

(1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京　100037； 2. 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 河南 洛陽　471009)

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北京地區(qū)PBA法施工暗挖地鐵車站地表變形分析

羅富榮1， 汪玉華2,*

(1. 北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司， 北京100037； 2. 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 河南 洛陽471009)

摘要：暗挖法施工的地鐵車站大多處在繁華的中心城區(qū)，周邊環(huán)境對(duì)變形非常敏感，為了減小施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，需對(duì)施工引起的地表變形規(guī)律進(jìn)行研究，以便采取針對(duì)性的控制變形措施。結(jié)合北京地鐵6號(hào)線一期及7號(hào)線PBA法施工暗挖車站，針對(duì)北京地區(qū)各典型地層條件及PBA工法特點(diǎn)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出： 1)PBA法施工暗挖地鐵車站所引起的地表沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞施工及扣拱施工階段，所發(fā)生的沉降約占總沉降量的90%； 2)不同的地層采用PBA法施工所引起的地表沉降相差較大，根據(jù)施工所引起地表沉降由大到小依次為粉細(xì)砂及中粗砂層，粉土、粉質(zhì)黏土層，圓礫-卵石層。

關(guān)鍵詞：地鐵車站； PBA法； 地表沉降； 監(jiān)測(cè)； 沉降槽； 地層損失率

0引言

PBA法是在淺埋暗挖法的基礎(chǔ)上，結(jié)合了蓋挖法的理念發(fā)展起來的，先施工上、下層小導(dǎo)洞，利用小導(dǎo)洞的空間形成由側(cè)壁支撐結(jié)構(gòu)和拱部支護(hù)組成的整體支護(hù)體系，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的預(yù)支護(hù)和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，以保證在進(jìn)行洞室主體部分開挖時(shí)具有足夠的安全度，并有效地控制地層沉降。該工法靈活多變，對(duì)周邊環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，目前已經(jīng)成為北京地區(qū)暗挖地鐵車站的主流施工工法，北京地鐵6號(hào)線一期及7號(hào)線暗挖車站基本都采用了該工法。

PBA法施工的地鐵車站大多位于繁華城區(qū)，周邊環(huán)境對(duì)變形比較敏感。為了減小施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，對(duì)PBA法施工引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行研究尤其重要，以往學(xué)者對(duì)PBA法施工引起的地表變形已經(jīng)進(jìn)行了一些研究。何海建[1]采用數(shù)值模擬輔以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了北京地鐵10號(hào)線國(guó)貿(mào)站工程兩導(dǎo)洞洞樁法對(duì)地層沉降的影響規(guī)律，研究認(rèn)為洞樁法施工導(dǎo)洞開挖支護(hù)，邊樁、冠梁、拱腳施作和導(dǎo)洞回填，主洞開挖支護(hù)以及主洞二次襯砌4個(gè)典型階段引起的地表沉降比例約為3.5∶2∶3∶1.5，地表沉降受扣拱工法和施工質(zhì)量的影響較大。杜彬等[2]以北京地鐵國(guó)貿(mào)站工程為背景，研究了大跨度分離式地鐵車站洞樁法施工對(duì)周圍地層及鄰近樁基的影響，研究認(rèn)為地表縱向沉降階段可分為前期沉降區(qū)、急劇沉降區(qū)和沉降收斂區(qū)，影響沉降的主要因素包括樁基與車站結(jié)構(gòu)的最小距離和樁端所處的地層條件。申國(guó)奎[3]以蘇黃區(qū)間大斷面施工為背景，運(yùn)用MIDAS有限元軟件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了PBA法施工時(shí)地表沉降的規(guī)律特點(diǎn)，研究認(rèn)為： 1)小跨度斷面在導(dǎo)洞開挖時(shí)，相互影響較大，地表沉降也比較明顯； 2)導(dǎo)洞開挖階段引起的地表沉降占整個(gè)施工階段引起的總地表沉降的比例相對(duì)較小，主要引起地表沉降的階段是扣拱和結(jié)構(gòu)施作階段。劉維寧等[4]等通過有限元計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，研究了北京地鐵復(fù)八線天安門西車站暗挖施工對(duì)地層沉降以及管線變形的影響。此外，還有很多學(xué)者也對(duì)PBA法施工引起的周邊環(huán)境變形進(jìn)行了研究[5-13]。

以往的研究基本上都是針對(duì)單個(gè)工點(diǎn)，采用有限元結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)施工引起的地表沉降規(guī)律進(jìn)行了研究，研究的對(duì)象比較孤立，不能體現(xiàn)沉降與地層間的關(guān)系，缺乏系統(tǒng)性及代表性。北京地鐵6號(hào)線一期及7號(hào)線橫貫北京東西，線路穿越的地層差異較大，在不同地層中采用PBA法施工引起的地表沉降差異較大，本文通過對(duì)北京地鐵6號(hào)線一期及7號(hào)線PBA法暗挖車站工程地質(zhì)情況及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對(duì)不同地層條件、不同施工階段PBA法施工引起的地表變形規(guī)律進(jìn)行研究。

1工程概述

1.1線路情況

北京地鐵6號(hào)線一期工程呈東西走向，線路始于五路居站，止于草房站，全長(zhǎng)約29 km，全部為地下線。全線共有車站19座(不含慈壽寺站和白石橋南站)，其中全暗挖車站6座，除車公莊西站單層段采用CRD法、東大橋站單層段采用柱洞法外，其他全部采用PBA法施工，明暗結(jié)合車站2座，暗挖部分采用PBA法。北京地鐵7號(hào)線位于北京南城地區(qū)，線路總體呈東西走向，起于北京西站，止于焦化廠站，全長(zhǎng)約23.67 km，全為地下線。全線共設(shè)車站20座(不含北京西站)，其中暗挖車站9座，全部采用PBA法施工。

線路位于永定河沖洪積扇古金溝河古道，全線地勢(shì)總體西高東低，地形較平坦，無明顯起伏。沿線地層主要為第四系永定河山前沖洪積層和河流相的沉積層，地層的特點(diǎn)為西部以厚層砂土和卵、礫石地層為主，向東于城市中心區(qū)大部分范圍內(nèi)地層過渡為黏性土、粉土與砂土、卵礫石土互層，再向東則以厚層黏性土、粉土為主。

1.2工程基本情況

6號(hào)線一期及7號(hào)線PBA法施工地鐵車站資料匯總?cè)绫?所示。

表1　北京地鐵6號(hào)線一期與7號(hào)線PBA法施工車站資料匯總

結(jié)合設(shè)計(jì)施工情況，對(duì)2條線PBA法施工的車站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如下：

1)車站穿越的地層主要包括粉細(xì)砂、中粗砂、粉土、粉質(zhì)黏土、黏性土和卵石砂礫等地層；

2)車站開挖都采用了地表深井降水施工，但部份車站由于降水末達(dá)到預(yù)期效果，施工期間受地下水影響較大，給施工帶來了很大的困難；

3)在小導(dǎo)洞施工時(shí)，除車公莊西站和磁器口站采用先下后上外，其他各車站小導(dǎo)洞開挖均采用了先上后下的開挖順序。

2地表沉降分析

2.1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

淺埋暗挖法施工引起地表沉降特征與地層條件、施工方法、隧道埋置深度及施工水平等因素密切相關(guān)?，F(xiàn)對(duì)車站主體上方的地表沉降測(cè)點(diǎn)(去除損壞、遮攔、數(shù)據(jù)不全)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，各車站地表累計(jì)沉降平均值及累計(jì)沉降最大值如表2所示。

表2地表累計(jì)沉降值匯總表

Table 2Summary of the ground surface settlement in Line No. 7 and Phase 1 of Line No. 6 of Beijing Metro

線路車站名稱累計(jì)沉降平均值/mm上導(dǎo)洞主要地層受地下水影響7號(hào)線達(dá)官營(yíng)站35.93圓礫-卵石層無廣安門內(nèi)站64.28粉細(xì)砂、中粗砂層無虎坊橋站70.77粉細(xì)砂、中粗砂層無珠市口站63.14粉細(xì)砂、中粗砂層無崇文三里河站67.41粉細(xì)砂、中粗砂層無磁器口站107.95粉細(xì)砂、中粗砂層 層間滯水較為嚴(yán)重廣渠門內(nèi)站36.41粉質(zhì)黏土層無雙井站121.10粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土互層 上層拱腰部位層間滲漏水情況較嚴(yán)重九龍山站148.14粉細(xì)砂、中粗砂層 下層導(dǎo)洞上斷面層間漏水情況較為嚴(yán)重6號(hào)線一期花園橋站18.15圓礫-卵石層無車公莊西站38.67圓礫-卵石層無車公莊站34.07中粗砂、圓礫卵石層無北海北站63.83粉土層、粉質(zhì)黏土層 層間滯水較為嚴(yán)重東四站84.02粉細(xì)砂、中粗砂層 層間滯水較為嚴(yán)重朝陽門站77.60粉細(xì)砂、中粗砂層無東大橋站79.08粉土、粉質(zhì)黏土層 層間滯水較為嚴(yán)重

結(jié)合表1和表2，按上導(dǎo)洞所處的不同地層，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。

圖1　各典型地層PBA法施工引起的地表變形統(tǒng)計(jì)

Fig. 1Ground surface settlement of different strata using PBA method

1)在無水的情況下，在圓礫-卵石層中施工引起的地表沉降最小，其沉降值大多在30～40 mm； 粉土、粉質(zhì)黏土層次之，其沉降值基本在35～50 mm； 粉細(xì)砂及中粗砂層最大，其沉降值為60～70 mm。

2)施工過程中地下水對(duì)地表沉降影響非常大，特別是在粉細(xì)砂及中粗砂層中，地下水更容易造成砂的細(xì)小顆粒大量流失，從而造成地表沉降急劇增大，如在7號(hào)線九龍山站施工過程中，因受層間滯水影響比較大，該站最終累計(jì)沉降均值達(dá)到了148.14 mm，而在無水的同等地層條件其他車站，其累計(jì)沉降均值基本都在60～70 mm。

3)在同種地層當(dāng)中，不論導(dǎo)洞采用先上后下，還是先下后上的施工順序，對(duì)累計(jì)沉降影響不明顯。

2.2地表沉降歷程分析

根據(jù)PBA法施工工序，可以將PBA法施工分為4個(gè)典型施工階段： 小導(dǎo)洞施工階段(Ⅰ)，梁、柱(樁)體系施工階段(Ⅱ)，扣拱施工階段(Ⅲ)，剩余土體開挖及主體施工階段(Ⅳ)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及各車站所處的地層條件，選擇具有代表性的測(cè)點(diǎn)，繪出其典型沉降歷時(shí)曲線如圖2—4所示。

結(jié)合施工進(jìn)度，對(duì)6號(hào)線一期和7號(hào)線的所有PBA法車站地表累計(jì)沉降量按4個(gè)典型施工階段進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

圖2　7號(hào)線達(dá)官營(yíng)站典型測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線圖(圓礫-卵石層)

Fig. 2Time-history curves of settlement of Daguanying Station of Line No. 7 (in sandy-cobble strata)

圖36號(hào)線一期朝陽門站典型測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線圖(粉細(xì)砂及中粗砂層)

Fig. 3Time-history curves of settlement of Chaoyangmen Station of Phase 1 of Line No. 6 (in fine-silt and medium-coarse sandy strata)

圖46號(hào)線一期東大橋站典型測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線圖(粉土、粉質(zhì)黏土層)

Fig. 4Time-history curves of settlement of Dongdaqiao Station of Phase 1 of Line No. 6 (in silt and silty clay strata)

表3　PBA法施工車站各典型施工階段地表沉降統(tǒng)計(jì)

由現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況可知：

1)PBA車站施工引起的地表沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞施工及扣拱施工階段，所發(fā)生的沉降占總沉降量的90%左右，在梁、柱(樁)體系和土方開挖、主體二次襯砌施工階段所引起的地表沉降所占比例則相對(duì)較小，所發(fā)生的沉降占總沉降量的10%左右； 因此應(yīng)合理安排導(dǎo)洞及扣拱開挖順序，以減小群洞施工效應(yīng)。

2)不同地層在各個(gè)施工階段所引起的地表沉降具有一定的差異，如表4所示。

對(duì)于8導(dǎo)洞PBA法施工的車站，粉土、粉質(zhì)黏土層在導(dǎo)洞施工過程中所引起的地表沉降所占比例最大，圓礫-卵石層最小。

表4　不同地層各階段施工所引起的地表沉降占比統(tǒng)計(jì)

注： “邊-中”為相鄰的邊導(dǎo)洞與中導(dǎo)洞間距離； “中-中”為2相鄰的中導(dǎo)洞間距離。

3)地表沉降與施工工期關(guān)系密切，開挖支護(hù)施工工期越長(zhǎng)，地層應(yīng)力釋放越充分，變形越大，變形的時(shí)空效應(yīng)越明顯。6號(hào)線一期的東四站和7號(hào)線的磁器口站施工工期都比較長(zhǎng)，其地表沉降明顯要大于同種地層條件。因此，必須嚴(yán)格執(zhí)行淺埋暗挖法 “管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)” 十八字方針，突出時(shí)空效應(yīng)對(duì)防塌的重要作用，加強(qiáng)在軟弱地層的快速施工。

2.3地表沉降槽寬度參數(shù)與地層損失率

隧道開挖引起的地表橫向沉降槽可以用高斯分布函數(shù)S=Smaxexp(-y2/2i2)表示，式中：y為地表與隧道中線的水平距離；S為距離隧道中線距離y處的地表沉降；Smax為最大地表沉降(y=0處)；i是隧道中線到沉降槽反彎點(diǎn)的水平距離，反映開挖對(duì)地表影響的范圍。

由于擬合數(shù)據(jù)較多，且離散性也比較大，為了減小擬合誤差，將同一車站全部有效測(cè)線的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行擬合，其中最大沉降的初值采用各測(cè)線的均值，i的初值采用等效軸線埋深的一半。各地鐵車站沉降槽曲線擬合結(jié)果如圖5—7所示。

(a)達(dá)官營(yíng)站(Smax=-93.18 mm，i=10.947 m)(b)花園橋站(Smax=-27.47 mm，i=10.51 m)

圖5圓礫卵石層沉降槽擬合曲線

Fig. 5Fitting curves of the settlement in sandy-cobble strata

3結(jié)論與建議

通過對(duì)北京地鐵6號(hào)線一期及7號(hào)線PBA法車站施工所引起的地表沉降進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

表5　北京地區(qū)PBA法施工地鐵車站地表沉降規(guī)律

注： 在本表統(tǒng)計(jì)的地層中，下層導(dǎo)洞底板均處于地下水位以下，可認(rèn)為本表揭示的是地層含水條件下地表沉降規(guī)律。

1)不同地層采用PBA法施工所引起的地表沉降相差較大，在無水情況下根據(jù)施工所引起地表沉降由大到小依次為粉細(xì)砂及中粗砂層，粉土、粉質(zhì)黏土層，圓礫-卵石層； 但在有水情況下，特別是在粉細(xì)砂及中粗砂層中，地下水容易造成砂層中的細(xì)小顆粒大量流失，從而造成地表沉降急劇增大。因此在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地下水的控制，盡量做到無水施工，以減小地表沉降。

2)PBA法車站施工引起的地表沉降主要發(fā)生在導(dǎo)洞施工及扣拱施工階段，所發(fā)生的沉降占總沉降量的90%左右，在梁、柱(樁)體系和土方開挖、主體二次襯砌施工階段所引起的地表沉降所占比例則相對(duì)較小，所發(fā)生的沉降占總沉降量的10%左右； 因此應(yīng)合理安排導(dǎo)洞及扣拱開挖順序，以減小群洞施工效應(yīng)。

3)地表沉降與施工工期關(guān)系密切，開挖支護(hù)施工工期越長(zhǎng)，地層應(yīng)力釋放越充分，變形越大，變形的時(shí)空效應(yīng)越明顯。因此，必須嚴(yán)格執(zhí)行淺埋暗挖法 “管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”十八字方針，突出時(shí)空效應(yīng)對(duì)防塌的重要作用，加強(qiáng)在軟弱地層的快速施工。

4)不同地層的沉降槽寬度系數(shù)i與隧道軸線埋深h之間的關(guān)系參數(shù)K的取值各不相同，其中圓礫-卵石層，K=0.61～0.68，地層損失率V1平均值為1.35%； 粉細(xì)砂及中粗砂層，K=0.56～0.60，地層損失率V1平均值為1.49%； 粉土、粉質(zhì)黏土層，K=0.65～0.70，地層損失率V1平均值為1.29%。

5)地層損失率均小于1.74%，相比國(guó)外經(jīng)驗(yàn)值要小。其主要原因是： ①相對(duì)于其他地區(qū)(倫敦等)的軟土地層，北京的地質(zhì)條件較好，隧道開挖引起的地層損失相應(yīng)較??； ②統(tǒng)計(jì)地鐵車站的開挖面積較大，一般為200～450 m2。

6)本次未對(duì)地下水對(duì)PBA法施工的影響進(jìn)行研究，下一階段應(yīng)結(jié)合滲流-應(yīng)力耦合分析，研究PBA法施工過程中滲流場(chǎng)的變化規(guī)律及對(duì)應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的影響。

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Analysis on Ground Surface Deformation of Mined Metro

Station Constructed by PBA Method in Beijing

LUO Furong1, WANG Yuhua2,*

(1.BeijingMTRConstructionAdministrationCorporation,Beijing100037,China;

2.Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China)

Abstract:Metro stations are basically located in urban centers, thus the surrounding environments of the project is significantly complicated. In this context, ground surface settlement induced by construction of the Metro station is studied with respect to its influence on the surrounding environments, in order to select a rational settlement-control method. The monitoring data of mined Metro stations of Line No. 7 and Phase 1 of Line No. 6 of Beijing Metro are obtained for detailed analyses. The results show that: 1) The ground surface settlement induced by construction of heading and tunnel arch is of a large magnitude, accounting for 90% of the total settlement; 2) The settlement of different strata excavated by PBA method significantly varies. The settlement of fine-silt and medium-coarse sand strata is the largest, followed by that of silt and silty clay strata, and that of sandy-cobble strata is the smallest.

Keywords:Metro station; PBA method; ground surface settlement; monitoring; settlement troughs; ground loss rate

中圖分類號(hào)：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0020-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.003

作者簡(jiǎn)介：第一 羅富榮(1968—)，男，江西臨川人，2011年畢業(yè)于北京交通大學(xué)，橋梁及隧道工程專業(yè)，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期主持北京地鐵建設(shè)的技術(shù)、設(shè)計(jì)與科研工作。*通訊作者： 汪玉華， E-mail: yieziwang@sina.com。

基金項(xiàng)目：北京市國(guó)有資本經(jīng)營(yíng)預(yù)算項(xiàng)目“深層空間地鐵工程建設(shè)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”資助

收稿日期：2015-07-20; 修回日期： 2015-11-17